以知識可視化表征改進《計算機網絡》教學的實踐

歐陽國軍

（廣東農工商職業技術學院計算機系，廣東廣州510507）

以知識可視化表征改進《計算機網絡》教學的實踐

歐陽國軍

（廣東農工商職業技術學院計算機系，廣東廣州510507）

知識可視化是運用各種圖解的視覺表征手段來促進知識創造和知識傳遞．針對當前大學《計算機網絡》教學中理論講解抽象、實驗設備短缺，且更新跟不上技術發展的問題，提出了知識可視化解決方案，選擇了知識地圖、思維導圖、Sniffer、OPNET、Ppacket Tracer作為《計算機網絡》知識表征的工具，并介紹了相應的教學實例．

知識可視化；視覺表征；網絡模擬；網絡仿真

1 問題提出

《計算機網絡》課程教學的難題，在技術層面上主要有：①課程中概念繁多，并且都是建立在抽象的理論模型基礎上，在真正的網絡應用中卻看不見，摸不著，只能靠想象；②網絡實驗設備價格昂貴，搭建一個模擬Internet真實運行環境的網絡需要幾百萬元，由于資金所限，造成計算機網絡實驗所需的軟件和硬件短缺；③計算機網絡是一種高速發展的技術，新理論、新技術、新設備不斷問世，要取得好的教學效果，就需要及時更新實驗設施，這給辦學帶來極大的經費壓力．

知識可視化技術把抽象知識用形象的圖形圖像等視覺化手段表示出來，大大提高知識的可識別性，使知識更易于記憶、理解、加工和運用；利用網絡模擬與仿真技術作為可視化工具，可以模擬任意規模的網絡、仿真新協議和新設備的工作原理與工作過程，節省投資，升級方便，使學生能夠跟上網絡設備更新換代的速度，掌握最新的技術．

經過實踐探索，針對《計算機網絡》知識類型，在教學中采用相應的可視化表征工具，取得了良好的教學效果．

2 知識可視化視覺表征內涵

知識可視化是在科學計算可視化、數據可視化、信息可視化基礎上發展起來的新興研究領域．它是指用視覺表征手段來呈現知識的一種方式，實質是將人們的個體知識以圖解的手段表示出來，形成能夠直接作用與人的感官的知識外在表現形式，從而促進知識的傳播與創新[1]．

知識可視化的理論基礎是雙重編碼理論，心理學家Pavio是雙重編碼理論的提出者[2]．

雙重編碼理論假設，存在著兩個認知的子系統：其一專用于對非語詞事物、事件(即映像)的表征與處理，而另一個則用于語言的處理．Pavio同時還假定，存在兩種不同的表征單元：適用于心理映像的“圖像單元”和適用于語言實體的“語言單元”．前者是根據部分與整體的關系組織的，而后者是根據聯想與層級組織的．雙重編碼理論還識別出三種加工類型：①表征性的：直接激活語詞的或非語詞的表征；②調用性的：利用非語詞系統激活語詞系統；③聯想性的：在同一語詞或非語詞系統的內部激活表征．雙重編碼理論最重要的原則就是：可通過同時用視覺和語言的形式呈現信息來增強信息的回憶與識別．

因此，知識可視化技術把抽象知識用形象的圖形圖像等視覺化手段表示出來，將大大提高知識的可識別性，使知識更易于記憶、理解、加工和運用．

3 《計算機網絡》知識分類與可視化工具選擇

3.1知識分類法選擇

運用視覺表征將知識可視化時，必須考慮知識的類型屬性，對知識進行合理的分類，劃分知識的類型，為不同類型的知識提供特定的可視化形式．在目前知識可視化領域中，還沒有一個能夠將可視化形式與知識類型相對應的知識分類法[3]．

在實踐中，采用了聯合國經合組織（OECD）在《以知識為基礎的經濟》[4]的報告中提出的知識分類法，從知識經濟應用的角度將知識分為四種：知道是什么的事實知識（Know-what）；知道為什么的原理知識（Know-why）；知道怎樣做的技能知識（Know-how）和知道誰有知識的專家知識（Know-who）．

3.2可視化工具選擇

在皮爾斯博士的《知識工作者的可視化工具—批判性思考的助手》一書中總結了48種圖表(書中稱為組織信息的可視化方法)形式，包括概念地圖、維恩圖、歸納塔、組織圖、時間線、流程圖、棱錐圖、射線圖、目標圖、循環圖、比較矩陣等．根據《計算機網絡》知識的特點和多年的教學實踐經驗，在教學中主要采用了知識地圖、思維導圖、Sniffer、OPNET、Packet Tracer作為可視化工具．

3.2.1 知識地圖

知識地圖在知識管理領域具有廣泛的用途：①作為知識指南，顯示哪些資源可以利用；②作為知識管理工具，可以幫助用戶知道在何處能找到知識；③作為知識目錄和領域專家的導航，它允許對所描述的知識資源進行處理、瀏覽和形象化；④知識資源的總分布圖，包括資源的總目錄和各知識點間的關聯，也是一個專家網絡，用于對知識技能及相關領域專家的描述；⑤能可視化地顯示獲得的信息及其相互關系，它促使不同背景下的使用者在各個具體層面上進行有效的交流和學習知識．

3.2.2 思維導圖

思維導圖就是抓住事物的關鍵，通過聯想和想象找到與事物的聯系，用圖像和色彩把這一過程放射性的畫出來，把一長串枯燥的信息變成彩色的、容易記憶的、有高度組織性的圖畫，它與我們大腦處理事物的自然方式相吻合．

使用NovaMind軟件制作的思維導圖可以像PPT一樣播放，解決了PPT上下文關聯不強、不易突出邏輯結構的缺點．

用幫助人思考記憶的思維導圖來展示知識，邏輯條理清晰，易于理解和記憶；不會脫離上下文，能隨時看到周圍的內容，很好地表達整體與局部的關系；具有與觀眾做交互的功能，方便在演示過程中隨時修改．

3.2.3 Sniffer

Sniffer是一個獲取網絡包、分析包、產生包的軟件，Sniffer可以在全部7層協議上進行解碼．Sniffer采用類似剝洋蔥的方式從最低層開始，一直到第7層，每一層使用不同的顏色加以區別．

在計算機網絡課程中，分層和協議簇是兩個非常重要的概念，同時也非常抽象，傳統的方法是利用實際的事例進行類比，再配合使用多媒體的動畫演示幫助學生理解，如分析郵寄包裹的過程，但實際效果不是特別好．我們在教學過程中充分利用Sniffer對數據包的分析解碼功能，來幫助學生理解．

3.2.4 OPNET

OPNET是一種通信協議建模和仿真工具，具有先進的建模機制、完備的模型庫、完善的外部接口等優點．

OPNET將通信網絡仿真的各個階段集成在一起，包括模型的設計、仿真、數據的收集和分析等階段，采用基于離散事件驅動的仿真機制，仿真中各個模塊之間通過事件中斷方式傳遞事件信息；基于包的通信機制，通過仿真包在仿真模型中的傳遞來模擬實際物理網絡中數據包的流動和節點設備內部的處理過程．采用三層建模機制，最低層為進程層模型，以有限狀態機來描述協議，其上是節點模型，由相應的協議模型構成，反應設備特性，最上層為網絡拓撲模型，三層模型和實際的網絡、設備、協議層次完全對應，具有很好的繼承性和可重用性．

3.2.5 Packet Tracer

Packet Tracer是Cisco開發的網絡仿真軟件，其特點主要有：

①提供網絡設計多種構件——各種型號的交換機、路由器、主機及無線AP等，并且可通過圖形用戶界面或文本界面對網絡設備進行基本配置；

②提供邏輯空間和物理空間兩種設計模式．邏輯空間模式用于進行邏輯拓撲結構的實現；物理空間模式支持構建城市、樓宇、辦公室、配線間等虛擬設置；

③Packet Tracer提供設計模式（Topology）及模擬模式（Simulation）．用戶在設計模式中設計網絡拓撲結構，并對其進行配置；切換到模擬模式可觀察協議數據單元（PDU）在網絡中的傳送過程，查看交換機的交換表及路由器的路由表，實時跟蹤PDU在網絡各節點的詳細處理過程，觀察網絡實時運行情況；

④支持性能分析．在仿真的過程中，允許用戶修改其中的網絡拓撲、實體參數、網絡協議等，靈活地設置網絡仿真環境中每個實體的參數，可以只獲取自己感興趣的網絡運行細節的相關數據．

3.3《計算機網絡》[5]知識類型與可視化表征工具

《計算機網絡》知識與可視化表征工具，見表1．

4 《計算機網絡》可視化教學實例

4.1《計算機網絡》知識地圖的構建

知識地圖的構建過程包括知識的識別與組織、知識分級、建立聯系和展現知識地圖幾個步驟[6]．《計算機網絡》知識地圖總體結構見圖1所示．

知識模塊中的知識點可以依據知識的發展和演化關系進行分層并建立聯系，按照一般人的認知順序來呈現．知識點之間的層次和連接關系體現了學習的先后順序和依賴性，同一層次的知識點間的聯系相對較弱， 可以自行把握學習的時序性．

4.2用思維導圖制作課件

借助NovaMind制作課件，通過知識呈現的直觀化、形象化、本質化，促進教師擁有的專家級知識的傳播與創新，在傳輸事實的同時，還將教師的見解、經驗、態度、價值觀、期望傳輸給學生．

圖2是OSPF路由協議思維導圖課件．在演示時可以任意指定幻燈片中顯示的節點，可以指定幻燈片顯示的視野范圍，幻燈片的切換通過動畫無縫完成，幻燈片和總圖連為一體，不會丟失上下文．

4.3TCP/IP分層結構演示

表2所示為網絡結構中的4層協議，不同層次完成不同的功能，每一層都有眾多協議組成．

在Sniffer 解碼表中分別對每一個層次協議的解碼分析，DLC對應鏈路層，IP對應網絡層，UDP對應傳輸層，RTP對應應用層高層協議．Sniffer可以針對眾多協議進行詳細結構化解碼分析，利用樹型結構顯示，如圖3所示．

4.4利用Packet Tracer進行網絡組建與配置訓練

利用Packet Tracer搭建如圖4所示網絡拓撲，用于靜態路由配置與測試實驗．

表2

圖1 《計算機網絡》知識地圖

圖2 OSPF路由協議思維導圖課件

圖3 TCP/IP分層結構

圖4 靜態路由配置與測試

在RT0 上的進行靜態路由配置：

ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.2.1

ip route 192.168.1.0 255.255.255.0 192.168.4.2 10

ip route 192.168.5.0 255.255.255.0 192.168.4.2

ip route 192.168.5.0 255.255.255.0 192.168.2.1 10

同樣在RT1、RT2上完成靜態路由配置．

查看RT0路由表如圖5所示，使用tracert測試結果如圖6所示．

4.5WAN環境中幀中繼的PVC速度選擇設計仿真

在實驗室搭建一個大規模的網絡，需要的成本是非常高昂的，甚至不可能實現．但大公司的運營卻非常需要，公司網管必須掌握其維護技術．

例如，Standard Chartered銀行有70個支行，一個總部大樓，還有一個Richmond處理中心．現需測試改變幀中繼的PVC的速度是怎樣影響應用程序性能的．

圖5 RT0路由表

圖6 使用tracert測試結果

使用OPNET搭建WAN環境如圖7所示，設置幀中繼PVC協議參數，運行仿真（run simulation），選擇測試參數（Global Statistics->DB Query-> Response Time(sec)），結果顯示（圖8），平均文件共享響應時間約20 s．

圖7 Standard Chartered銀行網絡拓撲

圖8 PVC的速度改變對文件共享響應時間的影響

5 結束語

知識可視化技術的引入可使原本抽象的理論學習、復雜的實踐轉化為簡單、形象、有規律的知識進行教學與實踐．

知識地圖、思維導圖的使用，有助于提高學生學習的主動性與創新性，使學生不但容易掌握所學知識，而且可使學生養成好的學習習慣，提高學生的非專業素質．

使用Snifer、OPNET、Packet Tracer作為網絡系統工作原理、組建過程、性能測試的可視化表征工具，可充分拓展實際網絡實驗室的內涵和外延．在計算機網絡課程教學的不同階段分別使用Sniffer、OPNET、Packet Tracer軟件輔助教學和實驗，不僅可以加深對理論知識的理解和對設備的熟練使用，培養學生綜合分析、開發創新和工程設計的能力，而且也使學生掌握了當前的主流網絡應用工具，為其今后的實際工作打下良好的基礎．

[1]Eppler M J, Bnrkard R A. Knowledge visualization：towards a new discipline and its fields of application，ICA Working Paper#2/2004[R]．University of Lugano．Schwartz D G ed. Encyclopedia of Knowledge Management, Idea Group，2004．

[2] Palvio A．Mental representations[M]．New York: Oxford University Press, 1986．

[3]趙國慶，黃榮懷，陸志堅．知識可視化的理論與方法[J]．開放教育研究，2005，11（1）：24-27．

[4]百度文庫．以知識為基礎的經濟（經濟合作與發展組織(OECD)1996年年度報告）[EB/OL]．http://wenku. baidu.com/view/ce3e7f76a417866fb84a8e13.html[2011-07-10]．

[5]徐敬東，張建忠．計算機網絡（第2版）[M]．北京：清華大學出版社，2009．

[6]劉鑫．智能型網站的知識地圖的實現技術研究［D］．吉林：長春工業大學，2007．

Representation of Knowledge Visualization in Teaching Computer Networks

OUYANG Guojun
（Department of Computer Science, Guangdong AIB Polytechnic College, Guangzhou, Guangdong 510507, China）

Through graphic visual representation, knowledge visualization is an effective channel to promote knowledge creation and transmission. To address the problems in teaching Computer Networks including the sophisticated theories, the sharp shortage of experimental facilities, the approach of knowledge visualization is offered. Tools such as knowledge map, mind map, Sniffer, OPNET, Packet Tracer are introduced, and some teaching cases are presented.

knowledge visulization; visual representation; network analog; network simulation

TP393

A

1672-0318（2014）01-0051-06

2013-08-13

歐陽國軍（1964-），男，湖南人，碩士研究生，講師，主要研究方向網絡系統設計與仿真．